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永磁牽引系統:中國掌握了最先進的高鐵牽引技術

更新時間:2020-09-02 點擊數:100

永磁牽引系統:中國掌握了最先進的高鐵牽引技術

 永磁同步牽引系統的優異特性


1、高節能率

根據第三方測評,平均節能率超過30%

2、易維護、集成度高

電機采用全密封結構,免安裝位置傳感器;

3、低噪聲

永磁電機的平均噪聲值比異步電機低,低速段更為明顯,其中0~1900r/min平均降低5.5dB(A);

4、重量輕

永磁電機比異步電機輕110kg。

永磁系統的特點優勢


1、永磁系統具有高功率密度、高效率、高功率因數和低噪音等顯著優勢;

2、應用于軌道交通車輛牽引,可以提高牽引功率、節能降耗、減少維護量、降低全壽命周期成本;

3、永磁牽引系統噪聲較異步系統低,可以提高乘客的舒適度。

目前永磁同步牽引系統已經被業界公認為是軌道交通車輛牽引系統的發展方向,更好的滿足城市軌道交通列車節能、降噪、高效、運行可靠等要求。

2017 年6 月2 日,全球首列虛擬軌道列車在中車株洲電力機車研究所首次亮相。

2015年6月24日,由中國鐵路總公司組織裝載株洲所自主開發的永磁牽引系統的高鐵進行首件鑒定,鑒定現場單臺電機的功率顯示達到690千瓦,這標志著我國高速鐵路擁有了世界上最先進的牽引技術,讓我國成為世界上少數幾個掌握高鐵永磁牽引系統技術的國家,使得我國高鐵動力技術真正進入到了“永磁時代”!同年,“永磁高鐵牽引系統通過首輪線路試驗考核”被兩院院士評為當年的中國十大科技進展新聞。

牽引系統是實現軌道交通車輛能量轉換的關鍵,被喻為列車的“心臟”,它決定了車輛的速度和性能,在有著“裝備工業之花”之稱的鐵路裝備領域,猶如皇冠上那顆璀璨奪目的明珠。

縱觀世界軌道交通發展史,從蒸汽到內燃再到電力,一代牽引系統決定一代機車車輛。作為機車車輛升級標志的牽引系統,一直為世界上極少數國家所掌握,并作為最關鍵的核心技術,嚴格限制技術轉讓,只有當新一代的牽引系統進入成熟批量商業應用階段,國外已經淘汰的上一代技術才會以市場換技術的方式對外轉讓。

作為新中國專為軌道交通電力牽引設立的第一家研究機構,從1959年成立至今,中車株洲電力機車研究所(下稱“株洲所”)不管是在曾經的“直流傳動”還是如今的“交流傳動”時代,一直是這個領域的領軍企業。

20多年前,我從浙江大學電機系畢業后,分配到了株洲所,不久后,有幸在公司老專家的帶領下,參與了當時國外公司剛推向市場、最先進的交流傳動異步電機牽引系統的研究。

此后,經過將近20年的不懈努力,中國工程院院士、時任株洲所董事長丁榮軍帶領團隊“彎道超車”,成功研發出中國完全自主的交流傳動異步牽引系統,該項成果使我國躋身世界上少數能夠獨立掌握交流傳動技術的國家之列。

在交流傳動異步牽引系統之后,永磁牽引以其高效和高功率密度的天然優勢,為軌道交通牽引技術帶來一場新的革命,毫不夸張地說,誰擁有永磁牽引技術,誰就掌握下一代高鐵的話語權。

起步就落后10年,在永磁牽引技術上“不能老是跟在別人的后面”

2003年8月,我在國外參加一場學術交流會議,一位國外專家發表了關于“永磁同步牽引系統是下一代軌道交通牽引系統技術發展趨勢”的演講,引起了我的極大興趣。我當時就有一種預感,永磁同步牽引系統極有可能取代已普遍應用的交流異步電機牽引系統,引發牽引技術的一場“革命”,成為軌道交通下一代牽引系統的主流產品。

當時國外有許多同行已經開始技術研究和儲備了,并且已經有樣機投入試驗,在起跑線,我們就晚了別人10多年了。我暗下決心,在交流傳動異步牽引時代,我們是追趕者,在永磁時代,我們不能還走“落后、再追趕”的老路,我們要搶抓機遇,主動布局。

回國后,我立刻向株洲所領導匯報了這個“新情報”。雖然正好是異步牽引系統開花結果的關鍵時期,所內資源極度緊張,但是,丁榮軍院士等領導、專家還是大力支持這個想法,公司永磁牽引技術研發團隊也很快敲定。

最讓我感動的是,已經退休在家含飴弄孫的國務院特殊津貼專家、國家“八五”科研攻關先進個人、詹天佑成就獎獲得者黃濟榮,一聽說株洲所要搞永磁牽引技術,馬上主動請纓,返聘加入這個團隊。他還專門寫了副“板凳要坐十年冷,文章不寫半句空”的對聯,張掛在辦公室墻壁上勉勵大家。

壯心不已的還有資深電機專家柯以諾,這位曾經在上個世紀90年代舌戰日本專家,迫使對方承認錯誤,為我國6K機車技術引進挽回3000多萬美元損失的老人,不顧老伴勸阻,再次返聘公司,把退休后多年收集的10多本技術文獻全部交給研發團隊。

我想,正是因為有這樣一批可愛、可敬的老專家,我們的軌道交通產業才發展得這么好,這么快。

永磁牽引系統讓一條地鐵一年節能400萬元

所謂永磁牽引系統,就是改變以往電機依靠異步電磁感應勵磁的傳動方式,通過加入永磁體,建立物理磁場,實現電機同步傳動。

與傳統的交流異步傳動方式相比,永磁同步傳動技術有效提升了系統效率,同時,由于電機效率的提高和功率密度的提高,電機體積可以縮小20%~30%。

然而,從理論到成熟產品,絕對不是咫尺之遙。

研發團隊首先做的事就是基礎研究,當時大功率永磁牽引技術屬于前瞻性核心技術,發達國家對研究成果嚴格保密,很多成員別說沒有接觸過永磁技術,當時連研究對象都還只是一個模糊的概念,一切都只能在摸索中前進。

那陣子,我真的為永磁牽引技術著迷,一有時間就開始琢磨。有一天晚上,我去北京開會,在機場候機的時候,想起一個技術問題,就從包里拿出了紙和筆,靠著座椅現場推算。沒想到,一下子就沉浸進去了,機場催著登機的廣播都沒聽見,誤了飛機只好在機場附近找酒店住了一個晚上,第二天才趕去開會。

2005年,依托國家“863”計劃——串聯式混合動力車用永磁電機項目,我們進入實質性的永磁電機設計開發階段。

很快,設計方案與圖紙有了,可當時制造工藝跟不上,由于永磁體磁性大,稍不留神就會“跑”到電機鐵心表面去了,教授級高級工程師符敏利只好蹲守在車間,他花費了整整兩天,一塊一塊親手將永磁體嵌裝到電機里,幫助工藝人員設計制作流程和加工方法。

這臺功率僅為5千瓦的永磁電機樣機,是株洲所開發的第一個真正意義上的永磁電機。又過了一年多,我們研發出了額定功率100千瓦的永磁電機,到2008年就實現批量成熟裝車,如今這款電機已經成功應用到國內10多個城市3000多輛城市電動公交車。

由于永磁電機比一般的汽車電機的效率要高5%左右,強大的節能優勢,成為株洲所在電動汽車市場的核心競爭力之一。

隨后,我們將目光瞄準了技術難度更高、工況更為復雜的地鐵領域。

那個時候,永磁同步牽引系統在軌道交通領域應用方面仍是一片“處女地”,國外包括西門子、龐巴迪、阿爾斯通和東芝等公司從上世紀90年代就開展了大量的研究,但是在應用方面一直未能取得實質突破。

從2009年開始,我們著手研制地鐵車輛用永磁同步牽引電機。2011年,首臺樣機完成全部地面試驗。2012年底,永磁牽引系統在沈陽地鐵上裝車考核運行。

2013年,這列裝載株洲所永磁牽引系統的地鐵成功實現“零故障”載客運營10萬公里,這項成果,填補了國內軌道交通領域永磁牽引系統裝車應用的空白。

根據沈陽地鐵2號線的實際運行測試數據,一條線一年的節能費用可達400萬元。

永磁牽引系統在地鐵上的成功,給了我們團隊很大的鼓舞,不過,我們要跑到世界領先位置,還必須拿下高鐵永磁牽引系統!

高效節能是永磁牽引技術最突出的優勢,與傳統的牽引技術相比,采用永磁牽引技術,可以使電機的額定功率達到98%上,比傳統電機提高5個百分點,損耗降低58%,顯著降低了列車牽引能耗。

然而,在高速運行的狀況下要想研制出穩定、可靠的永磁牽引系統,對整個系統的匹配、系統的控制和保護策略都比以往的地鐵、電動汽車的難度大得多,特別是由于永磁體在列車高溫、震動和反向強磁場等復雜環境下,還可能發生失磁,一旦失磁,列車將失去動力,嚴重影響鐵路運輸秩序,后果不敢想象。

團隊遇到的最大挑戰就是電機溫度控制,在試驗當中,當電機溫度達到一定值,永磁體就完全退磁,整個電機磁場就完全失效,系統無法正常工作。

永磁電機的溫升試驗需要長時間不間斷進行,要求24小時守著呼呼旋轉不停的電機,不放過任何一個細節和數據,一點一滴的檢測和記錄完成。

恰好又是8、9月,株洲潮濕、悶熱,整個實驗室就像一個巨大的蒸籠,溫度最高的時候達到40多攝氏度,一進實驗室就汗流如注,團隊的所有成員都經歷過類似的體驗,有人戲稱這是免費的“桑拿”。

為給電機降溫,我們想盡各種辦法,最終攻克難關。電機試制完成后的型式試驗結果顯示,電機平均溫升有效降低30K,軸承溫升降低高達50K,最終順利通過各項試驗考核及主機廠FAI,實現了成功裝車。

2013年12月,高鐵永磁同步牽引系統開始樣機地面試驗考核階段,因電機轉速高達6000轉/分,但控制電機的逆變器由于功率大,受限于高壓大功率IGBT的特性,開關頻率低(1秒鐘可以通過開關控制電機的次數),電機轉速越高,每一轉可用的調節能力越弱,運行越不穩定,而這又恰恰是決定高鐵能否高速的關鍵。

在多次嘗試失敗后,電機控制技術負責人文宇良決定重新設計電機的控制算法,然而此時永磁電機已經生產完成,按照項目計劃,春節后馬上開始所有系統地面考核試驗。

也就是說,他必須在兩個月內解決這個問題。那兩個月,他拋妻別子,直接住進辦公室,沒日沒夜地干,終于成功開發了基于電流閉環的永磁電機方波控制算法,成功解決了永磁電機在方波模式下電流不穩定的技術難題,保證了項目的順利推進。他自己卻因為超負荷工作和不規律飲食,引發嚴重的腸胃炎,最后不得不住院治療。

隨著項目的推進,整個團隊弦繃得越來越緊, 到了2014年下半年,團隊進入“全天候”作業階段。2015年6月24日,團隊迎來了最為緊張的時刻。這一天,由中國鐵路總公司組織裝載株洲所自主開發的永磁牽引系統的高鐵進行首件鑒定。當鑒定現場單臺電機的功率顯示達到690千瓦的時候,現場所有人沸騰了,這意味著公司研制的永磁高鐵牽引系統創造了國內的最大功率。

鑒定專家認為,這套永磁同步牽引系統,使我國高速鐵路擁有了世界上最先進的牽引技術,有力地提升了我國高速鐵路的技術水平,再次向世界表明我國高速鐵路完全具備自主創新的技術能力,讓我國成為了世界上少數幾個掌握高鐵永磁牽引系統技術的國家,使得我國高鐵動力技術真正進入到了“永磁時代”!同年,“永磁高鐵牽引系統通過首輪線路試驗考核”被兩院院士評為當年的中國十大科技進展新聞。

在現場,我們團隊有人默默地流淚。11年,我們終于成功了。

到2018年5月,國內首列永磁高速動車組完成30萬公里運營考核,系統總體性能穩定,運行良好。

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